大米淀粉与大豆粉比例对糊化特性及物性学性质的影响

庞志花，刘 萍，曹金诺，刘新旗，陈存社

（中国食品风味与营养健康创新中心 北京工商大学 北京 100048）

谷物在煮制熟化过程中主要发生淀粉的糊化与蛋白的变性，其中淀粉的糊化过程是影响谷物品质的主要因素，有助于形成独特的营养和质地特性[1]，而且淀粉糊化后黏度增加，可用作黏结剂、增稠剂等，对改善食品的组织结构及风味等具有重要作用，在食品工业有着广泛的应用[2]。大米淀粉具有许多独特的性质，当期糊化能够产生温和的味道，并且具有良好的光滑，奶油状和涂抹特性。大米淀粉还具有多种理想特性的独特组合，包括易消化性、质地光滑和味道清淡，这使其适用于婴儿食品和医药产品[3-4]。大豆作为重要的植物蛋白来源，富含人体必需的8 种氨基酸[5]，不含胆固醇，营养价值高[6]。大豆中的蛋白含量相对较高，心脑血管疾病患者完全可用其取代动物蛋白[7]。将大豆蛋白与大米淀粉混合，可以实现营养上的互补，同时可能构建具有特定物性特征结构的食品体系。

食品的物性学参数是口腔感官特征量化的重要途径[8-9]。食品口腔加工从起初的力学主导逐渐转变为摩擦学和流变学主导。其中反映粉碎咀嚼阶段食品品质的质构力学参数可量化食品质地[10-12]。流变学用于模拟食品进入口腔初期的咀嚼过程，即外界给予食物一定的剪切力，通过其抗剪切力的变化来模拟食品的感官性质。其中一个重要的参数是黏度，黏度是舌头与上颚接触时食品粘连残留的体现[13]。摩擦学是一个用来量化食品质地的新兴学科，其与口腔处理的吞咽阶段的相关性仍在探索中。其摩擦包括舌尖和上颚的摩擦，食物颗粒和口腔表面的摩擦，食物颗粒对于口腔内部的黏附作用[14-15]。摩擦学与流变学相辅相成，共同描述食品的口腔加工过程。

淀粉和蛋白质混合使食品物性学特征发生一定程度的改变。大米淀粉的糊化性质和质构特性与产品品质关系密切[16]。在大米中添加水不溶性蛋白质（谷蛋白和球蛋白）可以控制大米淀粉的糊化和质地特性[17]。Lim等[18]研究了由商品大豆蛋白和改性玉米淀粉制成的浆体的糊化和流变行为，添加大豆蛋白提高了淀粉/HFCS（高果糖玉米糖浆）糊的糊化温度和总黏度，这种趋势与固体含量增加和大豆球蛋白的自聚集有关。有研究通过挤压加工大米、豆类混合物或大米、大豆分离蛋白（SPI），以改善大米产品的理化性质[19-20]。本文研究大米淀粉和大豆粉制备的复合体系，分析其糊化特性、颗粒特性、流变学特性及摩擦学特征，为淀粉、大豆蛋白混合食品体系的构建提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米、大豆，京东天地粮人；乙醇、氢氧化钠等试剂均为分析纯级，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

流变仪（DHR-1），美国TA 仪器公司；激光衍射粒度仪（SALD-2300），日本岛津；快速黏度分析仪（RVA），Newport 公司；电子天平（AR1502CN），奥豪斯仪器（上海）有限公司；高速万能粉碎机（FW100），天津市泰斯特仪器有限公司；标准检验筛（80 目），浙江上虞市公路仪器厂；HH 系列数显恒温水浴锅（XMTD203），金坛市科析仪器有限公司；电子搅拌器（EURO-ST 40 D S025），德国IKA 公司；胶带1527-2（3M），美国医疗器械公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉与大豆粉的制备 取适量大米破碎、过筛（80 目）制得大米粉。将大米粉以料液比1∶2 置于0.3% NaOH 中，搅拌浸泡4 h。将浸泡后的液体4 000 r/min 离心15 min，去上清去黄色部分。调pH 6.5～7.0，4 000 r/min 离心15 min，去上清，重复3 次。将沉淀置于乙醇溶液中，与离心收集的沉淀1∶1 混合，静置2 h，4 000 r/min 离心15 min，去上清；调pH 6.5～7.0，4 000 r/min 离心15 min，去上清，去暗沉，重复3 次。取沉淀45 ℃烘箱干燥8 h，破碎，过80 目筛，备用。取适量大豆破碎、过筛（80 目）制得大豆粉。

1.3.2 样品的制备 将大米淀粉（RS）、大豆粉（S）分别按10∶0，9∶1，8∶2，7∶3，6 ∶4，5 ∶5，4 ∶6，3 ∶7，2 ∶8，1∶9，0∶10 的配比进行复配并混合均匀[21]。分别取10 g 样品于烧杯中，加入100 mL 50 ℃蒸馏水，置于磁力搅拌加热器上加热，升温程序50～95 ℃，30 min。制备完成后冷却样品至室温，备测。

1.3.3 糊化特性的检测 将大米淀粉与大豆粉复配，混合均匀，备用。按照美国谷物化学师协会（American Association Cereal Chemists，AACC）规定方法 检测样品水分含量。取3.0 g 混合物，使用快速黏度分析仪（RVA）测定混合物的RVA 糊化参数，用TCW 配套软件分析。混合物含水量约14%，上样量3.0 g，蒸馏水25 mL，检测程序如表1。

表1 RVA 程序设定Table 1 RVA program settings

1.3.4 颗粒特性的检测 用SALD-3000 激光衍射粒度仪测定凝胶中凝固物的粒度分布。将预处理所得样品用蒸馏水稀释10 倍，在细胞匀浆机中匀浆10 s，混匀，立即取适量样品于流通池内连续测量。粒子折射率设为1.5，精准率为0.001。每个样品做两个重复，每个重复3 个平行。

1.3.5 流变学特性的检测 使用TA 流变仪测定剪切扫描数据。测试条件：温度37 ℃，4 mm、2°不锈钢锥板探头，锥板与底座的距离（Gap）为57 μm，剪切速率0～100-1s。将样品置于底板上，设置Gap 值59 μm，修边，调整Gap 为57 μm，检测。每个样品做两个重复，每个重复3 个平行。

使用流变仪分析软件对剪切扫描曲线进行数据分析。其中下流动的曲线用Hershele-Bulkley 模型（σ=σ0+Kγn）进行拟合，取参数σ、σ0、K、γ、n，其中σ为剪切应力、σ0为屈服应力、K 为稠度指数、γ 为剪切速率以及n 为流动行为指数。另取参数上行线和下行线所包围的面积（ΔA），以及剪切速率在50 s-1时的表观黏度η50。

1.3.6 摩擦学特性的检测 使用平板摩擦流变仪测量谷物的摩擦曲线，使用3M 传输孔外科胶带1527-2 模拟口腔舌头[22]。为模拟口腔加工过程，对样品施加2 N 的法向力[23]。上样时将胶带剪成方形，平整的粘贴于底座上，多余部分粘于底座外侧。每次测量结束后更换胶带，清理底座。测试条件：温度37 ℃，应力2 N（即压力27.83 kPa），样品量1.5 mL，转速0.01～100 s-1。每个样品做两个重复，每个重复3 个平行。

1.3.7 数据处理 使用SPSS Statistics 软件对试验数据进行差异性和显著性分析，用Origin 8.5.1、Excel 软件作图。

2 结果与分析

2.1 糊化特性

图1 为大米淀粉与大豆粉混合物的RVA 糊化曲线。可以看出两者混合物的糊化曲线较大米淀粉的糊化曲线整体下移，且随大豆粉比例的增加，下移加大。从表2 也可以看出，与纯淀粉相比，各RVA 参数均随大豆粉浓度的增加发生明显的变化。添加大豆粉提高了糊化温度，降低了糊化黏度，这种影响总体上取决于蛋白浓度升高，也可能是由于淀粉含量降低。目前，普遍认为蛋白质对淀粉糊化特性具有抑制作用[24-25]，大豆粉中蛋白质的存在可能限制水分子与淀粉颗粒的接触，从而提高糊化温度。Baxter等[26]也报道在大米淀粉中添加谷蛋白会导致糊化温度升高。RS/S 混合体系黏度较低，表明体系黏度主要由淀粉决定，淀粉含量越低，体系黏度越低。此外，大豆蛋白还能抑制淀粉颗粒的溶胀，从而降低淀粉颗粒的峰值黏度[27]。上述结果表明，添加大豆粉对大米淀粉的糊化有一定的抑制作用。蛋白质/蛋白质水解物通过在淀粉周围形成物理屏障，并可以利用水分子来延缓淀粉糊化过程。一方面，分子质量及带电荷数较高的蛋白质/蛋白质水解物具有很大的比表面积及结合力，可以更好地与淀粉结合或形成包裹，附着在淀粉颗粒表面[28-29]。另一方面，亲水/疏水氨基酸残基可对淀粉颗粒糊化、吸水膨胀产生影响，从而最终影响混合体系的糊化特性[26]。

图1 大米淀粉与大豆粉混合体系的RVA 糊化曲线Fig.1 RVA gelatinization curve of rice starch and soybean meal mixed system

表2 大米淀粉与大豆粉混合体系RVA 糊化参数Table 2 RVA gelatinization parameters of rice starch and soybean meal mixed system

2.2 颗粒特性

淀粉在热作用下发生糊化，黏度增加，更易吸附周围溶液中的分子，因此糊化程度是影响颗粒大小的因素[30]。蛋白质在95 ℃水溶液中发生热变性，变性后次级键被破坏，蛋白质分子从原来有序卷曲的紧密结构变为无序松散的伸展状结构，原来处于分子内部的疏水基团大量暴露在分子表面，而亲水基团在表面的分布相对减少，使蛋白质颗粒不能与水相溶而失去水膜，很容易引起分子间相互碰撞而聚集沉淀，从而造成颗粒增大，因此蛋白的变性程度是影响混合体系颗粒大小的因素之一[31-32]。大米淀粉与大豆粉混合体系粒径如图2所示，粒径主要累积、分布在3 个区域5，15，162 μm。混合体系的粒径随大豆粉占比增加，蛋白质含量同时增加，粒径向大粒径方向移动。淀粉的糊化特性是淀粉性质的体现，淀粉凝胶的三维网状结构的形成是在淀粉膨胀融出的直链淀粉中交联形成的[33]。混合体系中淀粉的粒径分布可表征凝胶形成的难易程度，粒径越大凝胶越不易形成，同时体系越不稳定[34]。粒径结果表明，随着大豆粉的添加，混合体系粒径增大，导致凝胶不易形成，说明添加大豆粉抑制淀粉凝胶的形成。

图2 大米淀粉与大豆粉混合体系粒径Fig.2 Particle size of rice starch and soybean meal mixed system

2.3 流变学特性

大米淀粉（RS）与大豆粉（S）混合物的表观黏度随剪切速率的增加而减小。选用Hershelbuckley 模型对剪切扫描曲线的下行线进行拟合，结果表明拟合程度较高，所得流变学参数见表3。随着剪切速率的增加，样品黏度降低，为典型的假塑性或剪切变稀流体。纯淀粉糊的黏度最高，蛋白质的存在使大米淀粉的流动行为发生明显的变化。S 对RS/S 混合物黏度的影响取决于添加浓度。从表3 也可以看出，RS/S 10/0 诱发的屈服应力最大，说明触发样品流动所需剪切应力最大。黏度系数（K）和表观黏度（η50）在RS/S 10/0 时最高。流动指数（n）是衡量剪切稀化流体与牛顿流动的偏差。一般来说，淀粉含量超过50%的样品比淀粉比例较低的样品显示出较低的数值，表明混合体系的假塑性更好。此外，计算了滞回线（△A）的面积，△A 可以表征混合体系网络结构的破坏和重建。淀粉比例越高的样品△A 值越高，说明这些混合体系在剪应力作用下结构被破坏，剪切后难以重构成连贯的网络结构。

表3 大米淀粉与大豆混合体系的流变学参数Table 3 Rheological parameters of rice starch and soybean meal mixed system

2.4 摩擦学特性

口腔摩擦学用于表征口服加工过程中某些食品的特性，口腔摩擦阻力直接影响感官特性，如光滑度、乳脂度[35]。图3 显示大米淀粉和大豆粉混合体系的摩擦系数（μ）与夹带速度（mm/s）的关系。纯大米淀粉体系与大豆粉混合体系显示出完全不同的摩擦曲线。RS/S 10/0 显示典型的Stribeck 曲线，在初始滑动速度下，摩擦系数μ 随着速度的增加而增加，当滑动速度达1 mm/s 时，摩擦系数停止增加，这个区域被称为边界区。随着滑动速度的进一步增加，颗粒被夹带到表面并形成润滑薄膜，被称为混合区。摩擦力随着滑动速度的增加而降低，在这种状态下，黏度有助于润滑膜的形成。更高的滑动速度显示出μ 的增加，这个区域被称为流体力层区，其中流体力学膜完全形成，两个接触面被很好地分开，摩擦力与样品黏度成正相关，并随滑动速度的增加而增加。在整个速度范围，RS/S 0/10 显示平坦的摩擦曲线，摩擦力比RS/S 10/0高。当滑动速度低于0.3 mm/s 时，观察到短暂的摩擦力增加。在进一步增加速度时，摩擦力没有明显的变化。从图3 可以看出大多数含淀粉的样品显示了边界、混合和流体力层区。将淀粉和大豆粉组合在一起产生的摩擦比单独的大米淀粉更大，然而在滑动速度为<10 mm/'s 时，RS/S 1/9 比纯大米淀粉产生的摩擦小。这可能表明两种成分间存在一定的相互作用，导致摩擦增大。RRS/S 7∶3 显示比纯淀粉体系更晚的流体动力层区，RS/S 5/5在与其它混合体系摩擦曲线趋势一致的情况下，摩擦系数整体高于其它混合体系。

图3 大米淀粉与大豆粉混合体系的摩擦曲线Fig.3 Friction curve of rice starch and soybean meal mixed system

3 结论

添加大豆粉对大米淀粉的糊化变性有一定的抑制作用。大米淀粉/大豆粉混合体系的糊化性能受两种组分配比的影响较大。淀粉比例越高，混合体系糊化后黏度越高。大豆粉比例越高，混合体系糊化后黏度越低。根据颗粒特性，添加大豆粉导致混合体系粒径增加，抑制大米淀粉的凝胶化。摩擦学结果表明，大米淀粉和大豆蛋白具有明显不同的润滑性能。摩擦曲线也证实两种聚合物之间的关联或相互作用，在滑动速度<10 mm/'s 时，RS/S 1/9 比纯大米淀粉产生的摩擦更小，随着大豆粉的加入使体系的摩擦系数升高，当RS/S 5/5 时，摩擦系数整体最高。